JP4645786B2 - Exhaust gas purification catalyst - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、排ガス浄化用触媒に関し、特に、耐久性および排ガス浄化性能に優れた排ガス浄化用触媒に関する。
【0002】
【関連する背景技術】
リーンバーンエンジンや筒内噴射式エンジン等の希薄燃焼式エンジンは燃料希薄側のリーン空燃比で運転されることが多いが、リーン運転中は三元触媒の排ガス浄化作用が十分に発揮されないので、一般には、吸蔵剤が添加された触媒層をコージライト担体に担持してなるNOx吸蔵触媒が搭載される。しかしながら、NOx吸蔵触媒、特にアルカリ金属を吸蔵剤として添加した触媒にあっては、高温下で吸蔵剤が飛散したりコージライト担体内に移動したりして吸蔵剤の量が目減りし、触媒のNOx吸蔵能力が低下するという問題が生じる。
【0003】
このため、本出願人は、特願平11−370358号(特開2001−129402号公報)などにおいて触媒にゼオライトを添加することにより吸蔵剤の飛散や担体への移動を抑制することを提案している。ゼオライトに含有される珪素(Si)は、酸性質を有してアルカリとの親和性が高いことから、アルカリ性を示す吸蔵剤を引き寄せる作用を発揮し、従って、上記提案のようにゼオライトを移動抑制剤として用いることにより吸蔵剤の飛散や移動を抑止できる。更に、Siがゼオライトとして混入されているため吸蔵剤と反応して安定物質を形成することがなく、吸蔵剤の消失ひいては触媒の吸蔵能力の低下を抑制でき、高温下での運転の後においても触媒は高いNOx吸蔵性能を維持する。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
上述のようにゼオライトを添加したNOx吸蔵触媒は高温下での運転後も高いNOx吸蔵性能を維持できるが、この種の触媒においても過酷な高温下で運転した場合にはその後のNOx吸蔵性能に低下が認められ、従って高温耐久後の性能低下をより小さくした触媒の提供が要請されている。
【0005】
そこで、この様な要請に答えるために更なる研究を進めた結果、NOx吸蔵触媒の高温耐久後の性能低下を抑制する上で、ゼオライト自体が比較的耐熱性の低い物質であることが障害になっていることが判明した。すなわち、ゼオライトは主としてSiO2とAl2O3との複合酸化物であって、高温下ではSiO2とAl2O3との結合が崩れ易く、両者の結合が崩れるとSiO2またはSiが吸蔵剤と反応し易くなり、SiO2またはSiとの反応が進んでNOx吸蔵反応に作用する吸蔵剤がその分消失し、触媒の吸蔵性能が低下する。
【0006】
そこで、本発明は、高温耐久性に優れ、特に、過酷な高温下でのNOx吸蔵反応に作用する吸蔵剤の消失による排ガス浄化性能の悪化度合いを低減可能な排ガス浄化用触媒を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
請求項1に記載の発明は、担体と触媒層とを含み、この触媒層にアルカリ金属及びアルカリ土類金属からなる群から選択される少なくとも一つを吸蔵剤として添加してなる排ガス浄化用触媒において、コバルト(Co)、ジルコニウム(Zr)、鉄(Fe)、マンガン(Mn)からなる遷移金属の群から選択される少なくとも一つの金属と珪素(Si)とからなる複合酸化物を触媒層に混入したことを特徴とする。
【0008】
本発明では、珪酸塩(複合酸化物中のSi)は、吸蔵剤を引き寄せる作用を奏し、また、吸蔵剤との間で安定物質を生成するような化学反応を生起することがない。このため、吸蔵剤はその本来の機能すなわち吸蔵機能を失うことなくSiの近傍に保持され、従って触媒層における吸蔵剤の移動が抑制される。この結果、吸蔵剤の飛散や担体中へ移動した吸蔵剤と担体組成成分との化学反応による吸蔵剤の消失や吸蔵剤の硫黄被毒(燃料または排ガス中の硫黄分と吸蔵剤との反応による硫酸塩の生成)が抑制され、触媒の吸蔵性能が維持される。
【0009】
しかも、遷移金属Co、Zr、Fe、Mnは融点が高く、これらの遷移金属とSiとの複合酸化物は高い熱的安定性を示す。従って、複合酸化物中のSiによる吸蔵剤移動抑制作用や吸蔵剤の吸蔵機能が高温下でも維持される。すなわち、遷移金属と珪素とからなる複合酸化物を触媒層に混入した触媒は熱耐久性能に優れ、高温耐久後においてもその吸蔵性能が維持される。
【0010】
更に、請求項1に記載の発明は、触媒層の上層に、アルカリ金属及びアルカリ土類金属からなる群から選択される少なくとも一つを吸蔵剤として添加してなる第2触媒層を形成したことを特徴とする。
請求項1の発明では、第2触媒層は遷移金属と珪素とからなる複合酸化物を含まず、この第2触媒層に添加された吸蔵剤は、第2触媒層に続く触媒層に混入されている複合酸化物のSiによって引き寄せられる。従って、第2触媒層内の吸蔵剤の量が少なくなるため、第2触媒層ひいては全触媒層からの吸蔵剤の飛散が抑制され、触媒の吸蔵能力の低下が防止される。また、アルカリ金属やアルカリ土類金属からなる吸蔵剤はその電子供与性が強いため貴金属の酸化作用を低下させる要因になり得るが、請求項2の発明では第2触媒層内の吸蔵剤の量が少なくなるので、第2触媒層における貴金属の酸化作用低下が抑制される。すなわち、第2触媒層を触媒層上層に備えた触媒によれば、その吸蔵・浄化能力が高レベルに維持される。
【0011】
請求項2に記載の発明は、触媒層と担体との間にアルカリ金属及びアルカリ土類金属からなる群から選択される少なくとも一つを吸蔵剤として添加してなる第2触媒層を形成したことを特徴とする。
請求項2の発明では、触媒層が触媒表面側に形成され、第2触媒層は触媒層と担体との間に形成され、第2触媒層に添加された吸蔵剤は、触媒層に含まれる複合酸化物中のSiによって引き寄せられる。従って、排ガスと接触し易い触媒層上層側に吸蔵剤が集まるため、排ガス空燃比をリッチ化することにより吸蔵能力を効率良く回復することができる。この様に回復効率が高いのでリッチ化に伴う燃費悪化を最小にでき、また、第2触媒層中の吸蔵剤が第2触媒層に続く触媒層へ引き寄せられるので第2触媒層における貴金属の酸化作用の低下を抑制できる。すなわち、触媒の吸蔵・浄化能力は高レベルに維持される。
【0012】
請求項3に記載の発明は、上記触媒層の上層および上記触媒層と上記担体との間の少なくとも一方に三元触媒層を設けたことを特徴とする。
請求項3の発明では、複合酸化物中のSiが吸蔵剤保持作用を奏するので、三元触媒層への吸蔵剤の移動が抑制され、吸蔵剤による貴金属の酸化作用の低下が抑制され、三元触媒層ひいては触媒の浄化性能が維持される。
【0013】
請求項4の発明では、上記複合酸化物として珪酸ジルコニウム(ZrSiO4)を用いたことを特徴とする。
珪酸ジルコニウムは工業的に入手し易い材料であり、従って、吸蔵剤を添加した触媒層に珪酸ジルコニウムで構成した複合酸化物を混入することにより、吸蔵剤の移動や飛散を防止するという所期の目的を安価に達成できる。
【0014】
【発明の実施の形態】
まず、本発明の参考形態による排ガス浄化用触媒を説明する。
本参考形態の排ガス浄化用触媒は、多数のセルからなるハニカム(モノリス)型のコージライト担体を有するNOx触媒として構成されている。図1はコージライト担体の一つのセルの一部を示し、コージライト担体10のセルは例えば四角形状に形成されている。コージライト担体10の表面には触媒層20が担持されている。そして、触媒層20には、プラチナ(Pt)、パラジウム(Pd)などの貴金属と、カリウム(K)、バリウム(Ba)などのNOx吸蔵剤とが添加されると共に、コバルト(Co)、ジルコニウム(Zr)、鉄(Fe)、マンガン(Mn)からなる遷移金属の群から選択される少なくとも一つの金属と珪素(Si)とからなる複合酸化物が混入されている。本参考形態では、この複合酸化物として珪酸ジルコニウム(ZrSiO4)が用いられる。
【0015】
好ましくは、プラチナ及びパラジウムの各々の担持量を担体1リットルあたり0.1ないし10gの値に設定し、カリウム及びバリウムの各々の担持量を担体1リットルあたり0.1ないし50gの値に設定し、また、珪酸ジルコニウムの担持量を担体1リットルあたり0.1ないし50gの値に設定する。
コージライト担体10は、たとえば、アルミナ源の粉末、シリカ源の粉末およびマグネシア源の粉末を、アルミナ、シリカ、マグネシアの割合がコージライト組成になるように混合したものを水に分散させ、その固形分をハニカム状に成形し、このハニカム成形体を焼成したものである。
【0016】
触媒層20は、例えば以下のようにして、コージライト担体10の表面に担持される。
先ず、プラチナなどの貴金属、カリウムなどのアルカリ金属、バリウムなどのアルカリ土類金属、および複合酸化物としての珪酸ジルコニウムを主成分とする粉末を含むスラリーが調製される。次いで、コージライト担体10をスラリー中に浸漬し、これを乾燥後に焼成する。
【0017】
以上のようにして、コージライト担体10に触媒層20をコーティングしてなるNOx触媒を得る。従来公知のように、このNOx触媒は、たとえば緩衝材を介してケースに収容され、希薄燃焼内燃機関の排気管内に配置される。
このNOx触媒によれば、リーン空燃比での機関運転中に排ガス中のNOxが、触媒層20に分散された触媒種の作用下で硝酸塩の形で吸蔵される。また、リッチ空燃比での機関運転中には硝酸塩が分解され、吸蔵されていたNOxが窒素に還元されてNOx触媒から大気中に放出される。
【0018】
NOx触媒を長時間にわたって高温に晒した場合、一般には、触媒層に添加された吸蔵剤たとえばカリウムがコージライト担体中へ移動して担体中の珪素などと反応して化合物を生成し、この化合物がコージライト担体でのクラック発生要因になるが、本参考形態のNOx触媒では、触媒層20内でのカリウムなどの吸蔵剤の移動が珪酸ジルコニウムに含まれる珪素(Si)の近傍に保持されてコージライト担体10への移動が阻止され、クラック発生が防止される。
【0019】
また、吸蔵剤移動抑制作用を奏するゼオライトを触媒層に混入した触媒によれば、過酷な高温下ではその構成成分SiO2とAl2O3との結合が崩れて吸蔵剤が消失し、高温耐久後のNOx浄化効率が低下するが、本参考形態の触媒層に混入されている珪酸ジルコニウムと珪素との複合酸化物は熱的安定性が高く、複合酸化物中のSiによる吸蔵剤移動抑制作用は例えば850℃を超えるような高温下でも維持され、高温耐久後のNOx浄化効率に優れる。
【0020】
本発明者は上記の作用、効果を確認すべく、珪酸ジルコニウムと珪素との複合酸化物を触媒層に混入させた本参考形態のNOx触媒とゼオライトを混入した従来のNOx触媒のそれぞれについて熱耐久試験後のNOx浄化効率を測定し、測定結果を図2および図3に示す。
図2は、耐久温度(熱耐久試験での触媒温度)と熱耐久試験後におけるNOx浄化効率との関係すなわち触媒の耐久温度−NOx浄化効率特性を示す。評価温度は500℃である。図2中、四角形マークは本参考形態の触媒の特性を示し、三角形マークは従来の触媒の特性を示し、また、破線は新品(劣化前)の触媒の特性を表している。図2からわかるように、800℃および850℃付近での熱耐久試験後のNOx浄化効率については本参考形態の触媒と従来の触媒とにさほどの差異は見られないが、900℃付近での熱耐久試験後のNOx浄化効率についていえば本参考形態のものは従来のものに比べて相当に向上している。これは、本参考形態の触媒が高温耐久後の浄化性能に優れることを示す。
図3は、850℃で20時間の熱耐久試験を実施した後で床下触媒の形式で構成した本参考形態の触媒および従来の触媒を使用したときの、床下触媒入口温度とNOx浄化効率との関係を示し、四角形マークは本参考形態の触媒の特性を示し、丸マークは従来の触媒の特性を示す。図3からわかるように、床下触媒入口温度が550℃の場合を除き、本参考形態の触媒は従来のものに比べて熱耐久試験後のNOx浄化効率が向上しており、実車での通常の使用環境に対応する床下触媒入口温度が400ないし450℃での浄化効率に優れている。
【0021】
繰り返し云えば、図2及び図3に示した実験結果からわかるように、本参考考態の触媒によれば熱耐久後においても高い浄化性能が維持される。
以下、本発明の第1実施形態による排ガス浄化用触媒を説明する。
本実施形態の触媒は、そのNOx吸蔵・浄化能力を良好に維持すると共に熱耐久性を向上することを企図したものであり、参考形態のもの(図1)と基本構成が同一であるが、図4に示すように、触媒層(以下、第1触媒層という)20の上層たとえば外面に第2触媒層30を形成した点で参考形態のものと構成を異にする。
【0022】
図4を参照すると、排ガス浄化用触媒は、コージライト担体10と、担体10の表面に担持され且つ貴金属、吸蔵剤および複合酸化物を含む第1触媒層20と、第1触媒層20の上層たとえば表面に形成された第2触媒層30とからなる。担体10、第1触媒層20の構成は参考形態のものと同一であるので、説明を省略する。第2触媒層30は、プラチナなどの貴金属とカリウムやバリウム等のNOx吸蔵剤との混合物からなるもので、複合酸化物を含まない点で第1触媒層20と相違する。
【0023】
上記構成の排ガス浄化用触媒は、参考形態の場合と同様の手順で第1触媒層20を担持したコージライト担体10を、貴金属及びNOx吸蔵剤を含むスラリー中に浸漬し、これを乾燥・焼成することにより製造される。
既述のように、電子供与性の強いNOx吸蔵剤によって貴金属の酸化性能が低下して触媒のNOx吸蔵・浄化性能の悪化原因になるが、本実施形態の触媒の触媒層は、複合酸化物を含む第1触媒層20と、その外面に形成され且つ複合酸化物を含まない第2触媒層30とから構成され、第2触媒層30内のNOx吸蔵剤が第1触媒層20側へ移動し易くなっているため、吸蔵剤が第1触媒層20内に集まって第2触媒層30内の吸蔵剤の量は少なくなる。この結果、第2触媒層30の貴金属の酸化作用が第2触媒層30内の吸蔵剤により弱化され難くなり、触媒層全体とくに第2触媒層30での貴金属の酸化作用ひいては触媒の吸蔵・浄化能力が高レベルに維持される。また、第2触媒層30内の吸蔵剤の量が少なくなるため、第2触媒層30からの吸蔵剤の飛散が抑制され、触媒の吸蔵能力が維持される。その他の作用効果については参考形態のものと同様であるので、説明を省略する。
【0024】
以下、本発明の第2実施形態による排ガス浄化用触媒を説明する。
本実施形態の触媒は、図4に示した第1実施形態のものと基本構成が同一であるが、図5に示すように、第2触媒層30をコージライト担体10と第1触媒層20との間に形成した点で第1実施形態のものと異なる。
すなわち、図5に示すように、本実施形態の排ガス浄化用触媒は、コージライト担体10と、担体10の表面に担持され且つ貴金属とNOx吸蔵剤とを含む第2触媒層30と、その表面に形成され且つ貴金属、吸蔵剤および複合酸化物を含む第1触媒層20とからなる。担体10、第1触媒層20及び第2触媒層30の構成は第1実施形態のものと同一であるので、説明を省略する。
【0025】
上記構成の排ガス浄化用触媒は、第2触媒層30を担持したコージライト担体10を貴金属、NOx吸蔵剤および複合酸化物を含むスラリー中に浸漬し、これを乾燥・焼成することにより製造される。
本実施形態の排ガス浄化用触媒では、第1触媒層20とコージライト担体10との間に形成した第2触媒層30に添加された吸蔵剤が、第1触媒層20に混入されている複合酸化物中のSiによって引き寄せられ、従って、排ガスと接触し易い第1触媒層20側に吸蔵剤が集まる。このため、排ガス浄化用触媒の吸蔵能力を排ガス空燃比のリッチ化により効率良く回復することができ、リッチ化に伴う燃費悪化を最小にでき、また、第2触媒層30では吸蔵剤による貴金属の酸化作用の低下を抑制できるので、排ガス浄化用触媒の吸蔵・浄化能力は高レベルに維持される。その他の点については参考形態及び第1実施形態の場合と同様である。
【0026】
以下、本発明の第3実施形態による排ガス浄化用触媒を説明する。
本実施形態の触媒は、図1に示した参考形態のものと基本構成が同一であるが、触媒層の外面に三元触媒層を形成した点で異なる。
図6に示すように、排ガス浄化用触媒は、コージライト担体10と、担体10の表面に担持され且つ貴金属、吸蔵剤および複合酸化物を含む触媒層20と、この触媒層の表面に形成され且つ主に三元触媒作用を奏する三元触媒層40とからなる。本実施形態において、三元触媒層40には酸性質材料が影響抑止材料として混入され、三元触媒層40に達した吸蔵剤が三元触媒層に対して及ぼす悪影響が緩和される。すなわち、吸蔵剤が、三元触媒層40中の貴金属のCO、HC吸着作用を弱化したり貴金属表面を覆うという悪影響を影響抑止材料により緩和するようにしている。酸性質材料としては、アルカリ塩である吸蔵剤と反応して安定物質を生成するシリカ(SiO2)、タングステン(W)、リン(P)が用いられる。その一方で、三元触媒層40には吸蔵剤が一切添加されておらず、良好な三元性能を得るようにしている。
【0027】
上記構成の排ガス浄化用触媒は、参考形態の場合と同様の手順で第1触媒層20を担持したコージライト担体10を、プラチナ(Pt)、パラジウム(Pd)、ロジウム(Rh)などの貴金属と酸性質材料とを含むスラリー中に浸漬し、これを乾燥・焼成することにより製造される。
上記構成の排ガス浄化用触媒の作用を説明する。
【0028】
触媒層20では吸蔵剤が複合酸化物中のSiのまわりに固定され、高温下における飛散やコージライト担体10および三元触媒層40への移動が防止される。
そして、この様な移動抑制作用にも関わらず吸蔵剤が三元触媒層40に到達した場合には、吸蔵剤が三元触媒層40中の酸性質材料と反応して安定物質たとえばリン酸カリウムに変換され、これにより、三元触媒層40に対する吸蔵剤の影響が緩和される。本実施形態によれば、触媒層20と三元触媒層40とを共通の担体10上に形成して単一の触媒として安価に構成できる。また、排ガス浄化用触媒は、触媒層20のNOx吸蔵性能および三元触媒層40の三元性能に優れ、リーン運転時のNOx浄化が確実になされると共にストイキ運転時やリッチ運転時に発生するCO,HCが三元触媒層40により浄化される。その他の点は参考形態の場合と同様である。
【0029】
以下、本発明の第4実施形態による排ガス浄化用触媒を説明する。
本実施形態の触媒は、図6に示した第3実施形態のものと基本構成が同一であるが、三元触媒層をコージライト担体と触媒層との間に形成した点で異なる。
すなわち、図7に示すように、本実施形態の排ガス浄化用触媒は、コージライト担体10と、担体10の表面に担持された三元触媒層40と、この三元触媒層40の表面に形成された触媒層20とからなる。この排ガス浄化用触媒は、触媒層20を担持したコージライト担体10を、貴金属と影響抑止材料たとえば酸性質材料とを含むスラリー中に浸漬し、これを乾燥・焼成することにより製造される。
【0030】
本実施形態の排ガス浄化用触媒によれば、触媒層20によりNOx浄化作用が奏されると共に三元触媒層40により主にストイキまたはリッチ運転時の排ガス浄化作用が奏される。そして、触媒層20では吸蔵剤が複合酸化物中のSiのまわりに固定され、高温下における飛散やコージライト担体10および三元触媒層40への移動が防止され、また、吸蔵剤が三元触媒層40に到達した場合には、吸蔵剤が三元触媒層40中の酸性質材料と反応して安定物質に変換され、三元触媒層40に対する吸蔵剤の悪影響が抑制される。その他の点は参考形態の場合と同様である。
【0031】
本発明は、上記第1ないし第4実施形態のものに限定されず、種々に変形可能である。
例えば、上記実施形態では、ハニカム型コージライト担体10を担体として用いたが、本発明は、コージライト以外の材料から成る担体を備えた排ガス浄化用触媒にも適用可能である。メタル担体を用いた場合には、担体への吸蔵剤の浸透はほとんど問題にはならないが、吸蔵剤の飛散を防止する効果が得られ、触媒の排ガス浄化性能の低下が防止される。また、ハニカム型コージライト担体を用いる場合、コージライト担体のセルは四角形状のものに限定されず、例えば三角形状や六角形状のものでも良い。
【0032】
また、上記実施形態では、触媒層20に混入される複合酸化物として珪酸ジルコニウムを用いたが、これに代えて、コバルト、ジルコニウム、鉄、マンガンからなる遷移金属の群から選択される少なくとも一つと珪素とからなる複合酸化物を使用可能である。
また、第1ないし第4実施形態において述べた第2触媒層、三元触媒層の2つを触媒層と組み合わせてなる排ガス浄化用触媒を構成可能である。
【0033】
【発明の効果】
請求項1に係る発明によれば、吸蔵剤を添加した触媒層に、コバルト、ジルコニウム、鉄およびマンガンの少なくとも一つと珪素とからなる複合酸化物を混入したので、高温下においても安定な複合酸化物中の珪素が奏する吸蔵剤移動抑制機能により触媒層における吸蔵剤の移動が抑制され、吸蔵剤の飛散や担体成分との反応による消失および吸蔵剤の硫黄被毒が抑制される。従って、高温雰囲気中で使用した場合にも排ガス浄化用触媒の吸蔵性能が維持され、高温耐久後にも吸蔵、浄化性能の低下を来すおそれが少なくなる。
【0034】
更に、吸蔵剤を添加してなる第2触媒層を触媒層の上層に形成したので、第2触媒層に添加された吸蔵剤が触媒層内の複合酸化物中の珪素によって引き寄せられ、第2触媒層ひいては全触媒層からの吸蔵剤の飛散および第2触媒層での貴金属の酸化作用低下を抑制して、排ガス浄化用触媒の吸蔵・浄化能力を高レベルに維持することができる。
【0035】
請求項2の発明によれば、吸蔵剤を添加してなる第2触媒層を触媒層と担体との間に形成したので、排ガスと接触し易い触媒層上層側に吸蔵剤が集まるため排ガス浄化用触媒の吸蔵能力を排ガスのリッチ化により効率良く回復することができ、また、第2触媒層における貴金属の酸化作用低下を抑制することができ、吸蔵・浄化能力を高レベルに維持できる。
【0036】
請求項3の発明によれば、触媒層の上層または触媒層と担体との間の一方あるいは双方に三元触媒層を設けたので、触媒層に混入された複合酸化物中の珪素の移動抑制機能により触媒層から三元触媒層への吸蔵剤の移動ひいては三元触媒層における貴金属の酸化作用低下を抑制して三元触媒層の浄化性能を維持できる。
請求項4の発明によれば、複合酸化物として珪酸ジルコニウムを用いるので、熱耐久性に優れた排ガス浄化用触媒を安価に提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の参考形態による排ガス浄化用触媒の一つのシェルの四半部を示す部分拡大断面図である。
【図2】 珪酸ジルコニウムを触媒層に含む排ガス浄化用触媒およびゼオライトを含む従来の触媒のそれぞれの熱耐久後のNOx浄化効率を耐久温度の関数として示す図である。
【図3】 触媒層中に珪酸ジルコニウムを含む触媒の熱耐久後の床下入口温度−NOx浄化効率特性を従来の触媒の特性と比較して示す図である。
【図4】 本発明の第1実施形態による触媒のシェルの四半部を示す断面図である。
【図5】 本発明の第2実施形態による触媒のシェルの四半部を示す断面図である。
【図6】 本発明の第3実施形態による触媒のシェルの四半部を示す断面図である。
【図7】 本発明の第4実施形態による触媒のシェルの四半部を示す断面図である。
【符号の説明】
10 コージライト担体
20 触媒層
30 第2触媒層
40 三元触媒層 [0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an exhaust gas purification catalyst, and more particularly to an exhaust gas purification catalyst excellent in durability and exhaust gas purification performance.
[0002]
[Related background]
Lean burn engines such as lean burn engines and in-cylinder injection engines are often operated at a lean air-fuel ratio on the lean fuel side, but the exhaust gas purification action of the three-way catalyst is not fully demonstrated during lean operation. In general, a NOx storage catalyst in which a catalyst layer to which a storage agent is added is supported on a cordierite carrier is mounted. However, in the case of NOx occlusion catalysts, particularly catalysts added with alkali metals as occlusion agents, the occlusion agent is scattered at a high temperature or moved into the cordierite carrier, so that the amount of occlusion agent is reduced. The problem that NOx occlusion capacity falls arises.
[0003]
For this reason, the present applicant has proposed to suppress scattering of the occluding agent and transfer to the carrier by adding zeolite to the catalyst in Japanese Patent Application No. 11-370358 (Japanese Patent Laid-Open No. 2001-129402). ing. Since silicon (Si) contained in zeolite has acid properties and high affinity with alkali, it exerts an action of attracting an occlusion agent that shows alkalinity, and therefore suppresses movement of zeolite as proposed above. By using as an agent, scattering and movement of the storage agent can be suppressed. Furthermore, since Si is mixed as zeolite, it does not react with the occluding agent to form a stable substance, and the disappearance of the occluding agent and thus the decrease in the occluding ability of the catalyst can be suppressed, even after operation at high temperatures. The catalyst maintains high NOx storage performance.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, the NOx occlusion catalyst to which zeolite is added can maintain high NOx occlusion performance even after operation at a high temperature. However, even when this type of catalyst is operated at a severe high temperature, the NOx occlusion performance thereafter is reduced. Accordingly, there is a demand for providing a catalyst with a reduced performance degradation after high-temperature durability.
[0005]
Therefore, as a result of further research in order to respond to such a request, it is an obstacle that the zeolite itself is a relatively low heat-resistant substance in order to suppress the performance degradation of the NOx storage catalyst after high-temperature durability. Turned out to be. That is, the zeolite is a predominantly composite oxide of SiO 2 and Al 2 O 3, easily collapse the bond between SiO 2 and Al 2 O 3 at a high temperature, and if the two coupling collapses SiO 2 or Si is occluded It becomes easy to react with the agent, the reaction with SiO 2 or Si proceeds, the occlusion agent acting on the NOx occlusion reaction disappears correspondingly, and the occlusion performance of the catalyst is lowered.
[0006]
Therefore, the present invention provides an exhaust gas purification catalyst that is excellent in high temperature durability, and in particular, can reduce the deterioration degree of exhaust gas purification performance due to the disappearance of the occlusion agent that acts on the NOx occlusion reaction under severe high temperatures. Objective.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
The invention according to claim 1 includes a support and a catalyst layer, and at least one selected from the group consisting of alkali metals and alkaline earth metals is added to the catalyst layer as an occlusion agent. In the catalyst layer, a composite oxide comprising at least one metal selected from the group of transition metals consisting of cobalt (Co), zirconium (Zr), iron (Fe), and manganese (Mn) and silicon (Si) is used as the catalyst layer. It is characterized by mixing.
[0008]
In the present invention, silicate (Si in the composite oxide) has an action of attracting the occluding agent, and does not cause a chemical reaction that generates a stable substance with the occluding agent. For this reason, the occlusion agent is held in the vicinity of Si without losing its original function, that is, the occlusion function, and therefore the movement of the occlusion agent in the catalyst layer is suppressed. As a result, the occlusion agent disappears due to the scattering of the occlusion agent or the chemical reaction between the occlusion agent moved into the carrier and the carrier composition, and the sulfur poisoning of the occlusion agent (due to the reaction between the sulfur content in the fuel or exhaust gas and the occlusion agent (Sulfate formation) is suppressed, and the occlusion performance of the catalyst is maintained.
[0009]
Moreover, the transition metals Co, Zr, Fe, and Mn have a high melting point, and the composite oxides of these transition metals and Si exhibit high thermal stability. Accordingly, the effect of suppressing the movement of the occluding agent by the Si in the composite oxide and the occluding function of the occluding agent are maintained even at high temperatures. That is, a catalyst in which a composite oxide composed of a transition metal and silicon is mixed in a catalyst layer is excellent in heat durability performance, and the occlusion performance is maintained even after high temperature durability.
[0010]
Furthermore, in the invention described in claim 1 , the second catalyst layer formed by adding at least one selected from the group consisting of alkali metals and alkaline earth metals as an occlusion agent is formed on the upper layer of the catalyst layer. It is characterized by.
In the first aspect of the present invention, the second catalyst layer does not contain a complex oxide composed of a transition metal and silicon, and the storage agent added to the second catalyst layer is mixed into the catalyst layer following the second catalyst layer. It is attracted by the complex oxide Si. Therefore, since the amount of the storage agent in the second catalyst layer is reduced, scattering of the storage agent from the second catalyst layer and thus from all the catalyst layers is suppressed, and a decrease in the storage capacity of the catalyst is prevented. Further, the occlusion agent made of alkali metal or alkaline earth metal has a strong electron donating property and can cause a reduction in the oxidizing action of the noble metal. In the invention of claim 2, the amount of the occlusion agent in the second catalyst layer. Therefore, the decrease in the oxidation effect of the noble metal in the second catalyst layer is suppressed. That is, according to the catalyst provided with the second catalyst layer in the upper layer of the catalyst layer, the occlusion / purification capability is maintained at a high level.
[0011]
In the invention according to claim 2 , the second catalyst layer is formed by adding at least one selected from the group consisting of alkali metals and alkaline earth metals as a storage agent between the catalyst layer and the support. It is characterized by.
In the invention of claim 2 , the catalyst layer is formed on the catalyst surface side, the second catalyst layer is formed between the catalyst layer and the carrier, and the storage agent added to the second catalyst layer is included in the catalyst layer. It is attracted by Si in the complex oxide. Therefore, the occlusion agent collects on the upper layer side of the catalyst layer that easily comes into contact with the exhaust gas. Therefore, the occlusion capacity can be efficiently recovered by enriching the exhaust gas air-fuel ratio. Since the recovery efficiency is high in this manner, fuel consumption deterioration due to enrichment can be minimized, and the storage agent in the second catalyst layer is attracted to the catalyst layer that follows the second catalyst layer, so that oxidation of the noble metal in the second catalyst layer is performed. Decrease in action can be suppressed. That is, the storage / purification capacity of the catalyst is maintained at a high level.
[0012]
The invention described in claim 3 is characterized in that a three-way catalyst layer is provided on the upper layer of the catalyst layer and at least one of the catalyst layer and the carrier.
In the invention of claim 3 , since Si in the composite oxide has a storage agent holding action, the movement of the storage agent to the three-way catalyst layer is suppressed, and the decrease in the oxidation action of the noble metal by the storage agent is suppressed. The purification performance of the original catalyst layer and thus the catalyst is maintained .
[0013]
The invention of claim 4 is characterized in that zirconium silicate (ZrSiO4) is used as the composite oxide.
Zirconium silicate is an industrially easily available material. Therefore, by mixing the composite oxide composed of zirconium silicate into the catalyst layer to which the occluding agent is added, it is expected to prevent the occluding agent from moving and scattering. The objective can be achieved at low cost.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
First, an exhaust gas purifying catalyst according to a reference embodiment of the present invention will be described.
The exhaust gas purifying catalyst of the present embodiment is configured as a NOx catalyst having a honeycomb (monolith) type cordierite carrier composed of a large number of cells. FIG. 1 shows a part of one cell of the cordierite carrier, and the cell of the
[0015]
Preferably, each supported amount of platinum and palladium is set to a value of 0.1 to 10 g per liter of support, and each supported amount of potassium and barium is set to a value of 0.1 to 50 g per liter of support. In addition, the amount of zirconium silicate supported is set to a value of 0.1 to 50 g per liter of the carrier.
The
[0016]
The
First, a slurry containing a powder mainly composed of a noble metal such as platinum, an alkali metal such as potassium, an alkaline earth metal such as barium, and zirconium silicate as a composite oxide is prepared. Next, the
[0017]
As described above, a NOx catalyst obtained by coating the
According to this NOx catalyst, NOx in the exhaust gas is occluded in the form of nitrate under the action of the catalyst species dispersed in the
[0018]
When the NOx catalyst is exposed to a high temperature for a long time, generally, the occlusion agent added to the catalyst layer, for example, potassium moves into the cordierite carrier and reacts with silicon in the carrier to form a compound. However, in the NOx catalyst of the present embodiment , the movement of the storage agent such as potassium in the
[0019]
In addition, according to the catalyst in which the zeolite that suppresses the movement of the occluding agent is mixed in the catalyst layer, the bonding between the constituent components SiO 2 and Al 2 O 3 is broken at a severe high temperature, and the occluding agent disappears. Although the NOx purification efficiency later decreases, the composite oxide of zirconium silicate and silicon mixed in the catalyst layer of the present embodiment has high thermal stability and suppresses the movement of the occluding agent by Si in the composite oxide. Is maintained even at a high temperature exceeding 850 ° C., for example, and is excellent in NOx purification efficiency after high-temperature durability.
[0020]
In order to confirm the above-mentioned actions and effects, the inventor of each of the NOx catalyst of this embodiment in which a composite oxide of zirconium silicate and silicon is mixed in the catalyst layer and the conventional NOx catalyst in which zeolite is mixed are endured by heat. The NOx purification efficiency after the test was measured, and the measurement results are shown in FIGS.
FIG. 2 shows the relationship between the endurance temperature (catalyst temperature in the thermal endurance test) and the NOx purification efficiency after the thermal endurance test, that is, the endurance temperature-NOx purification efficiency characteristics of the catalyst. The evaluation temperature is 500 ° C. In FIG. 2, square marks indicate the characteristics of the catalyst of the present embodiment , triangle marks indicate the characteristics of the conventional catalyst, and broken lines indicate the characteristics of the new (before deterioration) catalyst. As can be seen from FIG. 2, the NOx purification efficiency after the thermal endurance test near 800 ° C. and 850 ° C. is not so different between the catalyst of this embodiment and the conventional catalyst. Regarding the NOx purification efficiency after the thermal endurance test, the present embodiment is considerably improved compared to the conventional one. This indicates that the catalyst of the present embodiment is excellent in purification performance after high temperature durability.
FIG. 3 shows the relationship between the underfloor catalyst inlet temperature and the NOx purification efficiency when the catalyst of the present embodiment and the conventional catalyst configured in the form of an underfloor catalyst after performing a thermal durability test at 850 ° C. for 20 hours. The square marks indicate the characteristics of the catalyst of the present embodiment , and the circle marks indicate the characteristics of the conventional catalyst. As can be seen from FIG. 3, except for the case where the underfloor catalyst inlet temperature is 550 ° C., the catalyst of this reference embodiment has improved NOx purification efficiency after the thermal endurance test compared to the conventional one, and is normal in an actual vehicle. It has excellent purification efficiency when the underfloor catalyst inlet temperature corresponding to the use environment is 400 to 450 ° C.
[0021]
In other words, as can be seen from the experimental results shown in FIG. 2 and FIG. 3, the catalyst of this reference state maintains high purification performance even after thermal endurance.
Hereinafter, the exhaust gas purifying catalyst according to the first embodiment of the present invention will be described.
The catalyst of the present embodiment is intended to maintain its NOx occlusion / purification ability well and improve the heat durability, and has the same basic configuration as that of the reference embodiment (FIG. 1). As shown in FIG. 4, the configuration is different from that of the reference embodiment in that a
[0022]
Referring to FIG. 4, the exhaust gas purifying catalyst includes a
[0023]
In the exhaust gas purifying catalyst having the above-described configuration, the
As described above, the NOx occlusion agent having a strong electron donating property lowers the oxidation performance of the noble metal and causes deterioration of the NOx occlusion / purification performance of the catalyst. However, the catalyst layer of the catalyst of this embodiment is a composite oxide. And a
[0024]
Hereinafter, an exhaust gas purifying catalyst according to a second embodiment of the present invention will be described.
The catalyst of the present embodiment has the same basic configuration as that of the first embodiment shown in FIG. 4, but as shown in FIG. 5, the
That is, as shown in FIG. 5, the exhaust gas purifying catalyst of this embodiment includes a
[0025]
The exhaust gas purifying catalyst having the above-described configuration is manufactured by immersing the
In the exhaust gas purifying catalyst according to the present embodiment, the occlusion agent added to the
[0026]
Hereinafter, an exhaust gas purifying catalyst according to a third embodiment of the present invention will be described.
The catalyst of the present embodiment has the same basic configuration as that of the reference embodiment shown in FIG. 1, but differs in that a three-way catalyst layer is formed on the outer surface of the catalyst layer.
As shown in FIG. 6, the exhaust gas purifying catalyst is formed on the surface of the
[0027]
In the exhaust gas purifying catalyst having the above-described configuration, the
The operation of the exhaust gas purifying catalyst having the above configuration will be described.
[0028]
In the
When the occlusion agent reaches the three-
[0029]
Hereinafter, an exhaust gas purifying catalyst according to a fourth embodiment of the present invention will be described.
The catalyst of this embodiment has the same basic configuration as that of the third embodiment shown in FIG. 6, but differs in that a three-way catalyst layer is formed between the cordierite carrier and the catalyst layer.
That is, as shown in FIG. 7, the exhaust gas purifying catalyst of the present embodiment is formed on the
[0030]
According to the exhaust gas purifying catalyst of the present embodiment, the NOx purification action is exhibited by the
[0031]
The present invention is not limited to the first to fourth embodiments , and can be variously modified.
For example, in the above-described embodiment, the honeycomb
[0032]
Moreover, in the said embodiment, although the zirconium silicate was used as a complex oxide mixed in the
Further, it is possible to configure an exhaust gas purification catalyst in which two of the second catalyst layer and the three-way catalyst layer described in the first to fourth embodiments are combined with a catalyst layer.
[0033]
【The invention's effect】
According to the invention of claim 1, since the composite oxide composed of at least one of cobalt, zirconium, iron and manganese and silicon is mixed in the catalyst layer to which the storage agent is added, the composite oxidation stable even at high temperatures. The movement of the storage agent in the catalyst layer is suppressed by the function of suppressing the storage agent movement produced by silicon in the material, and the disappearance of the storage agent due to scattering and reaction with the carrier component and the sulfur poisoning of the storage agent are suppressed. Therefore, even when used in a high temperature atmosphere, the occlusion performance of the exhaust gas purifying catalyst is maintained, and the possibility of reducing the occlusion and purification performance after high temperature durability is reduced.
[0034]
Furthermore, since the second catalyst layer to which the storage agent is added is formed in the upper layer of the catalyst layer , the storage agent added to the second catalyst layer is attracted by silicon in the composite oxide in the catalyst layer, The occlusion / purification ability of the exhaust gas purifying catalyst can be maintained at a high level by suppressing the scattering of the occluding agent from the catalyst layer and thus the entire catalyst layer and the reduction of the oxidizing action of the noble metal in the second catalyst layer.
[0035]
According to the invention of claim 2 , since the second catalyst layer to which the storage agent is added is formed between the catalyst layer and the carrier, the storage agent collects on the upper layer side of the catalyst layer which is easily in contact with the exhaust gas. The occlusion capacity of the catalyst for use can be efficiently recovered by enriching the exhaust gas, and the decrease in the oxidizing action of the noble metal in the second catalyst layer can be suppressed, and the occlusion / purification capacity can be maintained at a high level.
[0036]
According to the invention of claim 3 , since the three-way catalyst layer is provided on one or both of the upper layer of the catalyst layer or between the catalyst layer and the carrier, the movement of silicon in the composite oxide mixed in the catalyst layer is suppressed. The function can suppress the movement of the storage agent from the catalyst layer to the three-way catalyst layer, and hence the reduction in the oxidation effect of the noble metal in the three-way catalyst layer, and maintain the purification performance of the three-way catalyst layer .
According to the invention of claim 4 , since zirconium silicate is used as the composite oxide, an exhaust gas purifying catalyst having excellent thermal durability can be provided at low cost.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a partially enlarged sectional view showing a quarter portion of one shell of an exhaust gas purifying catalyst according to a reference embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a graph showing NOx purification efficiency after thermal endurance as a function of endurance temperature of an exhaust gas purification catalyst containing zirconium silicate in a catalyst layer and a conventional catalyst containing zeolite.
FIG. 3 is a diagram showing the underfloor inlet temperature-NOx purification efficiency characteristic after thermal endurance of a catalyst containing zirconium silicate in a catalyst layer in comparison with the characteristic of a conventional catalyst.
FIG. 4 is a cross-sectional view showing a quarter portion of the shell of the catalyst according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a cross-sectional view showing a quarter part of a shell of a catalyst according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a cross-sectional view showing a quarter part of a shell of a catalyst according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a cross-sectional view showing a quarter portion of a shell of a catalyst according to a fourth embodiment of the present invention .
[Explanation of symbols]
10
Claims (4)
コバルト(Co)、ジルコニウム(Zr)、鉄(Fe)、マンガン(Mn)からなる遷移金属の群から選択される少なくとも一つの金属と珪素(Si)とからなる複合酸化物を上記触媒層に混入するとともに、上記触媒層の上層に、アルカリ金属及びアルカリ土類金属からなる群から選択される少なくとも一つを吸蔵剤として添加してなる第2触媒層を形成したことを特徴とする排ガス浄化用触媒。In an exhaust gas purifying catalyst comprising a support and a catalyst layer, wherein at least one selected from the group consisting of alkali metals and alkaline earth metals is added as a storage agent to the catalyst layer,
A composite oxide composed of at least one metal selected from the group of transition metals composed of cobalt (Co), zirconium (Zr), iron (Fe), and manganese (Mn) and silicon (Si) is mixed in the catalyst layer. And a second catalyst layer formed by adding at least one selected from the group consisting of alkali metals and alkaline earth metals as an occlusion agent to the upper layer of the catalyst layer . catalyst.
コバルト(Co)、ジルコニウム(Zr)、鉄(Fe)、マンガン(Mn)からなる遷移金属の群から選択される少なくとも一つの金属と珪素(Si)とからなる複合酸化物を上記触媒層に混入するとともに、上記触媒層と担体との間に、アルカリ金属及びアルカリ土類金属からなる群から選択される少なくとも一つを吸蔵剤として添加してなる第2触媒層を形成したことを特徴とする排ガス浄化用触媒。 In an exhaust gas purifying catalyst comprising a support and a catalyst layer, wherein at least one selected from the group consisting of alkali metals and alkaline earth metals is added as a storage agent to the catalyst layer,
A composite oxide composed of at least one metal selected from the group of transition metals composed of cobalt (Co), zirconium (Zr), iron (Fe), and manganese (Mn) and silicon (Si) is mixed in the catalyst layer. And a second catalyst layer formed by adding at least one selected from the group consisting of an alkali metal and an alkaline earth metal as a storage agent between the catalyst layer and the carrier . that the exhaust gas purifying catalyst.
コバルト(Co)、ジルコニウム(Zr)、鉄(Fe)、マンガン(Mn)からなる遷移金属の群から選択される少なくとも一つの金属と珪素(Si)とからなる複合酸化物を上記触媒層に混入するとともに、上記触媒層の上層および上記触媒層と上記担体との間の少なくとも一方に三元触媒層を設けたことを特徴とする排ガス浄化用触媒。 In an exhaust gas purifying catalyst comprising a support and a catalyst layer, wherein at least one selected from the group consisting of alkali metals and alkaline earth metals is added as a storage agent to the catalyst layer,
A composite oxide composed of at least one metal selected from the group of transition metals composed of cobalt (Co), zirconium (Zr), iron (Fe), and manganese (Mn) and silicon (Si) is mixed in the catalyst layer. to together, the catalyst for exhaust gas purification you characterized by providing on at least one three-way catalyst layer between the upper layer and the catalyst layer and the carrier of the catalyst layer.
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